CN101915163A - 一种使用氢气燃料和燃气轮机进行氧燃料燃烧的方法及装备 - Google Patents

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余江龙
李先春
宋辉
尹丰魁
王冬梅
阿加西·达玛塞比
杨利
谢巍
付艳羽
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Abstract

一种使用氢气燃料和燃气轮机进行氧燃料燃烧的方法，采用纯氢气为燃料，以纯氧和再循环高温水蒸气的混合物为助燃气体，在燃气轮机燃烧室中进行氧燃料燃烧，从而产生高温高压水蒸气，驱动燃气透平发电。出口的蒸汽进入蒸汽透平进一步产生电力。本发明通过燃气-蒸汽联合发电，提高发电效率。由于尾气中只有水蒸气，很容易得到进一步利用，因此，该技术装备将不产生空气污染物，属于零污染排放***。利用本发明提出的技术，燃气轮机部件不需要在超高温条件下工作，同时还解决在空气燃烧条件下热力氮氧化物生成量增加的问题，因此具有很大的推广优势。

Description

一种使用氢气燃料和燃气轮机进行氧燃料燃烧的方法及装备
技术领域：本发明涉及一种利用能源方法及设备，尤其是一种使用氢气燃料和燃气轮机进行氧燃料燃烧的方法及装备，属于能源科技领域。
背景技术：我国是以煤炭为主要一次能源的国家，煤炭占据一次能源的65％以上。目前我国煤炭产量和消费总量均列世界首位，而且煤炭产量仍在上升，2009年已经达到近25亿吨。我国大部分电力依靠燃煤电厂产生，每年由于燃煤产生大量的大气污染物的排放，目前我国二氧化硫和氮氧化物的排放均为世界首位。因此，我国面临能源供应安全和环境保护的双重压力，洁净煤技术的发展刻不容缓。根据我国的实际情况，煤基多联产和IGCC以及煤的液化技术将是我国煤炭清洁利用的主流技术，在保障我国能源供应安全方面将发挥巨大作用。
目前技术采用的是氢气与空气的燃烧或富氢气燃气做燃气轮机的燃料，并进行了一些热力学分析。包括西门子公司也正在进行氢气燃气轮机清洁燃烧过程的研究。这些技术目前采用纯氢气和空气以及纯氧为燃烧体系，面临的直接问题是燃气轮机对纯氢燃烧产生的极高温度的容忍程度。一些研究人员提出采用超高温陶瓷为燃气轮机部件，另外一些技术提出第一代氢气燃气轮机技术采用空气为助燃气体。这些均处在概念性研究阶段，同时，虽然尾气中主要产物是水蒸气和氮气，减少了碳排放，但因燃烧温度过高而存在热力氮氧化物生成量增加而导致NOx的排放增加的问题。因此，第一代氢气燃气轮机技术的工业应用难以进行。
发明内容：针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种使用氢气燃料和燃气轮机进行氧燃料燃烧的方法及装备。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种使用氢气燃料和燃气轮机进行氧燃料燃烧的方法，采用纯氢气为燃料，以纯氧和再循环高温水蒸气的混合物为助燃气体(氧气分压为15-45％)，在燃气轮机燃烧室中进行氧燃料燃烧，从而产生高温高压水蒸气，驱动燃气透平发电。出口的蒸汽进入蒸汽透平进一步产生电力。
一种使用氢气燃料和燃气轮机进行氧燃料燃烧的装备，包括空分装置，纯氧缓冲罐，压气机，纯氢气源，燃烧室，燃气透平，第一发电机，第二发电机和蒸汽透平，水蒸气再循环装置。空分装置与纯氧缓冲罐连接。纯氧缓冲罐与压气机连接。再循环水蒸气管道连接在纯氧缓冲罐和压气机之间。燃烧室入口端与纯氢气源和压气机连接，出口端与燃气透平连接。第一发电机与燃气透平连接。燃气透平与蒸汽透平连接，蒸汽透平与第二发电机连接。
本发明通过燃气-蒸汽联合发电，提高发电效率。由于尾气中只有水蒸气，很容易得到进一步利用，因此，该技术装备将不产生空气污染物，属于零污染排放***。利用本发明提出的技术，燃气轮机部件不需要在超高温条件下工作，同时还解决在空气燃烧条件下热力氮氧化物生成量增加的问题，因此具有很大的推广优势。
附图说明：
图1是使用氢气燃料和燃气轮机进行氧燃料燃烧的方法流程图。
图2是使用氢气燃料和燃气轮机进行氧燃料燃烧设备的组成和原理框图。
图3是基于煤气化制氢、氢气为燃料的燃气轮机氧燃料燃烧的零碳排放新型多联产工艺和技术流程框图。
具体实施方式：
如图1所示：一种使用氢气燃料和燃气轮机进行氧燃料燃烧的方法，该技术的核心部分是采用纯氢气为燃料，以纯氧和再循环高温水蒸气的混合物为助燃气体(氧气分压为15-45％)，在燃气轮机燃烧室中进行氧燃料燃烧，从而产生高温高压水蒸气，驱动燃气透平发电。出口的蒸汽进入蒸汽透平进一步产生电力。通过燃气-蒸汽联合发电，提高发电效率。
如图2所示：1为空分装置，2为纯氧缓冲罐，3为压气机，4为纯氢气源，5为燃气轮机的燃烧室，6为燃气透平，7为第一发电机，8为蒸汽透平，9为第二发电机。空气(0.1MPa，25℃)进入空分装置1，产生的纯氧经过纯氧缓冲罐2进入压气机3。水蒸气再循环装置产生的再循环水蒸气(0.1MPa，200-400℃)与纯氧混合后进入压气机3，产生的高压助燃混合气体(氧气和水蒸气，1.4MPa，200-300℃)进入燃气轮机燃烧室5。来自纯氢气源4的氢气(1.4MPa，25℃)也同时进入燃烧室5，与氧气燃烧，产生高温燃气(1.4MPa，1200-1500℃)，从而驱动燃气透平轮机涡轮，从而驱动与其相连接的第一发电机7产生电力。控制燃烧室中氢气和氧气的比例而实现氧燃料条件下的贫氧燃烧，使从燃气轮机出口产生的尾气为水蒸气和极少量氢气的混合物(0.4MPa，500-600℃)。高温蒸汽进一步进入蒸汽透平8，驱动蒸汽轮机和与其相连接的第二发电机9进一步产生电力，从而实现燃气轮机和蒸汽轮机的联合循环。蒸汽轮机出口的尾气为水蒸气和极少量氢气混合物(0.1MPa，200-300℃)，构成余热蒸汽。部分余热蒸汽通过再循环回到压气机3，与来自纯氧缓冲罐2的纯氧构成氧燃料的助燃气体，另外一部分通过再循环到达煤气化单元，从而作为气化剂加以有效利用。剩余的余热蒸汽可用于产生余热。经过高效利用水蒸气的余热，使***的整体热效率提高。在***运行过程中不产生任何碳排放和氮氧化物的排放，因此是高效零污染分布式能源***。
如图3所示：利用本发明提出的技术可以实现基于煤气化制氢、氢气为燃料的燃气轮机氧燃料燃烧、燃气轮机和蒸汽轮机联合循环的零碳排放新型多联产***。***中利用水蒸气和氧气的混合物作为气化剂对褐煤(或生物质)进行气化。气化后的产物为氢气和一氧化碳的混合物，经过净化和重整后产生氢气和二氧化碳的混合物，通过气体分离装置(高温膜分离***)将二氧化碳分离出来，从而得到纯氢燃料。分离出的高纯食品级二氧化碳可用于工业生产(如食品或饮料)，也可直接用于封存。纯氢燃料则进入燃气轮机燃烧产生高温蒸气，通过上述本发明提出的燃气轮机和蒸汽轮机联合循环***产生电力。***生产的纯氢还可以用于请燃料电池产生电力或作为其他工业原料。
***的原理
煤气化制氢过程采用目前成熟的煤气化技术。煤气化制氢主要通过两步进行，及褐煤的气化过程和气体的净化及重整(水煤气变换反应)。
1)煤气化过程
以煤气化制氢为目标的气化工艺主要是利用煤与高温水蒸气反应，从而产生一氧化碳和氢气的混合物。主要反应方程式为：
C(s)+H2O(g)→H2(g)+CO(g)
在本发明技术工艺中，采用褐煤在中低温下进行气化反应，气化剂采用纯氧和水蒸气的混合物，以提高反应效率，产物为一氧化碳和氢气的混合气，但CO的含量相当较高。反应的方程式如下：
3C(s)+H2O(g)+O2(g)→H2(g)+3CO(g)
产物中的CO将在水煤气变换反应中进行转换。
2)水煤气变换反应
煤气化气体产物的重整是通过水煤气变换反应实现的。水煤气变换反应在催化条件下与400-600摄氏度下在水煤气变换反应器中进行，催化剂采用以半焦为载体的纳米铁基催化剂，主要活性组分为Fe3O4.水煤气变换反应的方程式如下：
CO(g)+H2O(g)→H2(g)+CO2(g)
重整后气化产物为氢气和二氧化碳，为下一步的气体分离做准备。
3)氢气和二氧化碳的分离
水煤气变换反应产生的氢气和二氧化碳的混合物采用常规的高温膜分离设备进行分离。分离出的纯二氧化碳可以用于工业生产(如食品和饮料)以及石油强化回收等，多余的则通过压缩后进行深埋。因此，***将实现零碳排放。
4)燃气轮机燃烧室中的燃烧反应
分离的纯氢进入燃气轮机燃烧室，与氧气和高温水蒸气的混合物实现氧燃料燃烧。反应方程式如下：
O2(g)+H2(g)→H2O(g)
由于燃烧时助燃气体为高温水蒸气和氧气的混合物，因此可以在大大提高***燃烧效率的同时，消除热力氮氧化物的生成，因此***不会产生氮氧化物的排放。
5)电力的产生
***中的电力的生产通过三种方式：燃气透平驱动发电机；蒸汽轮机透平驱动发电机；氢燃料电池产生电力。

Claims (2)

1.一种使用氢气燃料和燃气轮机进行氧燃料燃烧的方法，其特征在于：采用纯氢气为燃料，以纯氧和再循环高温水蒸气的混合物为助燃气体，在燃气轮机燃烧室中进行氧燃料燃烧，从而产生高温高压水蒸气，驱动燃气透平发电，出口的蒸汽进入蒸汽透平进一步产生电力。
2.一种使用氢气燃料和燃气轮机进行氧燃料燃烧的装备，其特征在于：包括空分装置，纯氧缓冲罐，压气机，纯氢气源，燃烧室，水蒸气再循环装置，燃气透平，第一发电机，第二发电机和蒸汽透平；空分装置与纯氧缓冲罐连接，纯氧缓冲罐与压气机连接，再循环水蒸气管道连接在纯氧缓冲罐和压气机之间，燃烧室入口端与纯氢气源和压气机连接，出口端与燃气透平连接，第一发电机与燃气透平连接，燃气透平与蒸汽透平连接，蒸汽透平与第二发电机连接。
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